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JP7437633B2 - Fuel cell cathode catalyst layer and fuel cell - Google Patents
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Description

本開示は、燃料電池のカソード触媒層、および燃料電池に関する。 The present disclosure relates to a cathode catalyst layer of a fuel cell and a fuel cell.

燃料電池は、電解質膜およびそれを挟む一対の電極を有する膜電極接合体を備える。一対の電極は、それぞれ、電解質膜側から順に、触媒層およびガス拡散層を備える。 A fuel cell includes a membrane electrode assembly having an electrolyte membrane and a pair of electrodes sandwiching the electrolyte membrane. Each of the pair of electrodes includes a catalyst layer and a gas diffusion layer in this order from the electrolyte membrane side.

触媒層の構成として、特許文献1では、プラチナ触媒を担持したカーボンである1次粒子が複数集まって形成される2次粒子と、2次粒子の内部に浸透するとともに2次粒子の外部を覆うアイオノマーとを含み、2次粒子の半径を105nm~200nmの範囲とした触媒層が記載されている。また、触媒層中のアイオノマーの質量Iとカーボンの質量Cとの比(I/C)を、0.65~1.35としている。 As for the structure of the catalyst layer, Patent Document 1 describes secondary particles formed by a plurality of primary particles of carbon supporting a platinum catalyst, which penetrates into the inside of the secondary particles and covers the outside of the secondary particles. A catalyst layer containing an ionomer and having secondary particles having a radius in the range of 105 nm to 200 nm is described. Further, the ratio (I/C) between the mass I of the ionomer and the mass C of carbon in the catalyst layer is set to 0.65 to 1.35.

また、特許文献2では、触媒層は、触媒層および高分子電解質を備え、触媒層中に、親水性を有するか、または表面が親水性処理されている繊維状物質を含有させている。 Further, in Patent Document 2, the catalyst layer includes a catalyst layer and a polymer electrolyte, and the catalyst layer contains a fibrous material that has hydrophilicity or whose surface has been treated to be hydrophilic.

上記特許文献1および2において、アイオノマーおよび高分子電解質は、プロトン伝導性を有する。しかしながら、プロトン伝導には水分が必要であるため、燃料ガスまたは酸化性ガスを加湿したうえで、触媒層に供給することが通常行われる。 In Patent Documents 1 and 2, the ionomer and the polymer electrolyte have proton conductivity. However, since moisture is required for proton conduction, fuel gas or oxidizing gas is usually humidified and then supplied to the catalyst layer.

特許文献3には、アノードにメタノールを供給するメタノール型燃料電池において、アノード触媒層は炭素繊維を担体とする繊維状担持触媒と、炭素粒子を担体とする粒状担持触媒とを含むアノード触媒を含有し、アノードガス拡散層と対向する面におけるアノード触媒中の繊維状担持触媒の比率を、電解質膜と対向する面におけるアノード触媒中の繊維状担持触媒の比率よりも高くすることが記載されている。このとき、アノード触媒の重量に対する電解質の重量比率は、アノードガス拡散層と対向する面において50~140重量%であり、電解質膜と対向する面において150~250重量%とすることが提案されている。 Patent Document 3 discloses that in a methanol fuel cell that supplies methanol to the anode, the anode catalyst layer contains an anode catalyst including a fibrous supported catalyst using carbon fiber as a carrier and a granular supported catalyst using carbon particles as a carrier. However, it is described that the ratio of the fibrous supported catalyst in the anode catalyst on the surface facing the anode gas diffusion layer is higher than the ratio of the fibrous supported catalyst in the anode catalyst on the surface facing the electrolyte membrane. . At this time, it is proposed that the weight ratio of the electrolyte to the weight of the anode catalyst is 50 to 140% by weight on the surface facing the anode gas diffusion layer, and 150 to 250% by weight on the surface facing the electrolyte membrane. There is.

特許文献4には、固体高分子形燃料電池において、導電性粒子上に触媒粒子が担持された複合粒子を20.000質量%以上80.000質量%以下、プロトン伝導性ポリマーを19.999質量%以上60.000質量%以下、ポリテトラフルオロエチレンを0.001質量%以上20.000質量%以下含有する電極触媒層が記載されている。プロトン伝導性ポリマーの当量重量(EW)は、250以上2000以下が好ましく、250以上800以下がより好ましいと記載されている。 Patent Document 4 describes that in a polymer electrolyte fuel cell, composite particles in which catalyst particles are supported on conductive particles are contained in an amount of 20.000% by mass or more and 80.000% by mass or less, and a proton conductive polymer is contained in a proportion of 19.999% by mass. % or more and 60.000% by mass or less, and an electrode catalyst layer containing 0.001% by mass or more and 20.000% by mass or less of polytetrafluoroethylene. It is described that the equivalent weight (EW) of the proton conductive polymer is preferably 250 or more and 2000 or less, more preferably 250 or more and 800 or less.

特開2012-243431号公報JP2012-243431A 特開2004-247316号公報Japanese Patent Application Publication No. 2004-247316 特開2009-117248号公報JP2009-117248A 特開2004-273257号公報Japanese Patent Application Publication No. 2004-273257

上述の通り、燃料電池においては、プロトンの移動抵抗を低下させるために、燃料ガスまたは酸化性ガスを加湿することが行われる。このため、水蒸気ガスを生成し、燃料ガスまたは酸化性ガスを加湿するための設備(加湿器)を、燃料電池セルとは別に設ける必要がある。 As described above, in a fuel cell, fuel gas or oxidizing gas is humidified in order to reduce the resistance to proton movement. Therefore, it is necessary to provide equipment (humidifier) for generating water vapor gas and humidifying fuel gas or oxidizing gas separately from the fuel cell.

しかしながら、車載用などの移動体用途で燃料電池を用いる場合、加湿器を設置するための十分なスペースを確保できないことがある。このため、低加湿(例えば、相対湿度20%~40%)の条件において高い出力性能を有する燃料電池が望まれている。 However, when a fuel cell is used for a mobile device such as a vehicle, it may not be possible to secure sufficient space for installing a humidifier. Therefore, a fuel cell that has high output performance under conditions of low humidification (eg, relative humidity of 20% to 40%) is desired.

従来の燃料電池では、低加湿状態で動作させると、電解質膜および触媒層中のアイオノマーが乾燥し、プロトン移動抵抗が高くなる。結果、出力が低下する。一方、触媒層中のI/Cを高めることで保水性を高め、乾燥を抑えることができるが、ガス拡散性が低下する。結果、出力が低下してしまう。 In conventional fuel cells, when operated under low humidity conditions, the ionomer in the electrolyte membrane and catalyst layer dries out, increasing proton transfer resistance. As a result, output decreases. On the other hand, by increasing I/C in the catalyst layer, water retention can be increased and drying can be suppressed, but gas diffusivity is reduced. As a result, the output decreases.

本開示の一局面は、第1繊維状導電部材、第1粒子状導電部材、第1触媒粒子、および、第1プロトン伝導性樹脂を備え、前記第1粒子状導電部材の質量に対する前記第1プロトン伝導性樹脂の質量の割合I1/C1が、1.0~1.6の範囲にあり、前記第1粒子状導電部材100質量部に対する前記第1繊維状導電部材の割合が、30~50質量部であり、前記第1プロトン伝導性樹脂のEW値が、600~850である、燃料電池のカソード触媒層に関する。 One aspect of the present disclosure includes a first fibrous electrically conductive member, a first particulate electrically conductive member, a first catalyst particle, and a first proton conductive resin, and wherein the first The mass ratio I 1 /C 1 of the proton conductive resin is in the range of 1.0 to 1.6, and the ratio of the first fibrous conductive member to 100 parts by mass of the first particulate conductive member is 30 parts by mass. 50 parts by mass, and the EW value of the first proton conductive resin is 600 to 850.

本開示の他の局面は、上記局面のカソード触媒層を有するカソードと、アノードと、前記アノードと前記カソードの間に介在する電解質膜と、を備える燃料電池に関する。 Another aspect of the present disclosure relates to a fuel cell including a cathode having the cathode catalyst layer of the above aspect, an anode, and an electrolyte membrane interposed between the anode and the cathode.

本開示によれば、低加湿の動作条件において、触媒層のガス拡散性とプロトン伝導性とを両立し、燃料電池の発電性能を高めることができる。
本発明の新規な特徴を添付の請求の範囲に記述するが、本発明は、構成および内容の両方に関し、本発明の他の目的および特徴と併せ、図面を照合した以下の詳細な説明によりさらによく理解されるであろう。
According to the present disclosure, under low humidification operating conditions, it is possible to achieve both gas diffusivity and proton conductivity of the catalyst layer, and improve the power generation performance of the fuel cell.
While the novel features of the invention are set forth in the appended claims, the invention is further understood by the following detailed description, taken together with the drawings, both as to structure and content, as well as other objects and features of the invention. It will be well understood.

本開示の実施形態に係る燃料電池の単セルの構造を模式的に示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a single cell of a fuel cell according to an embodiment of the present disclosure. 実施例1のセルA1、および、比較例1~3のセルB1~B3で用いたカソード触媒層について、水銀圧入法により対数微分細孔容積分布を測定した結果を示すグラフである。2 is a graph showing the results of measuring the logarithmic differential pore volume distribution of the cathode catalyst layers used in cell A1 of Example 1 and cells B1 to B3 of Comparative Examples 1 to 3 by mercury intrusion method.

本開示の実施形態に係る燃料電池のカソード触媒層は、繊維状導電部材(第1繊維状導電部材)、粒子状導電部材(第1粒子状導電部材)、触媒粒子(第1触媒粒子)、および、プロトン伝導性樹脂(第1プロトン伝導性樹脂)を備える。カソード触媒層は、下記の条件(1)~(3)を満たしている。
(1)第1粒子状導電部材の質量に対する第1プロトン伝導性樹脂の質量の割合I1/C1が、1.0~1.6の範囲にある。
(2)第1粒子状導電部材100質量部に対する第1繊維状導電部材の割合が、30~50質量部である。
(3)第1プロトン伝導性樹脂のEW値が、600~850である。
ここで、EW値とは、プロトン交換基(例えば、スルホン酸基)1モル当たりの乾燥状態のプロトン伝導性樹脂の質量(グラム単位)を意味する。EW値が小さいほど、プロトン伝導性樹脂に占めるプロトン交換基の数が多く、プロトンの移動抵抗は低下する。
The cathode catalyst layer of the fuel cell according to the embodiment of the present disclosure includes a fibrous conductive member (first fibrous conductive member), a particulate conductive member (first particulate conductive member), catalyst particles (first catalyst particles), and a proton conductive resin (first proton conductive resin). The cathode catalyst layer satisfies the following conditions (1) to (3).
(1) The ratio I 1 /C 1 of the mass of the first proton conductive resin to the mass of the first particulate conductive member is in the range of 1.0 to 1.6.
(2) The ratio of the first fibrous conductive member to 100 parts by mass of the first particulate conductive member is 30 to 50 parts by mass.
(3) The EW value of the first proton conductive resin is 600 to 850.
Here, the EW value means the mass (in grams) of the proton conductive resin in a dry state per mole of proton exchange groups (for example, sulfonic acid groups). The smaller the EW value, the larger the number of proton exchange groups occupying the proton conductive resin, and the lower the proton transfer resistance.

第1粒子状導電部材の質量に対する第1プロトン伝導性樹脂の質量の割合I1/C1を高めることで、保水効果により、低加湿条件においても低いプロトン移動抵抗が得られる。一方で、ガス拡散性は低下する。しかしながら、第1粒子状導電部材に対する第1繊維状導電部材の割合を高くすることで、I1/C1が高い場合であっても、ガスの拡散経路を確保することが可能である。 By increasing the ratio I 1 /C 1 of the mass of the first proton conductive resin to the mass of the first particulate conductive member, low proton transfer resistance can be obtained even under low humidification conditions due to the water retention effect. On the other hand, gas diffusivity decreases. However, by increasing the ratio of the first fibrous conductive member to the first particulate conductive member, it is possible to ensure a gas diffusion path even when I 1 /C 1 is high.

1/C1を1.0~1.6の範囲とし、第1粒子状導電部材100質量部に対する第1繊維状導電部材の割合を30~50質量部とすることが、低加湿の条件において、低いプロトン移動抵抗と、高いガス拡散性とを両立するために必要となる。 Conditions for low humidification include setting I 1 /C 1 in the range of 1.0 to 1.6 and setting the ratio of the first fibrous conductive member to 100 parts by mass of the first particulate conductive member to be 30 to 50 parts by mass. This is necessary in order to achieve both low proton transfer resistance and high gas diffusivity.

繊維状導電部材の割合を増やすことにより、触媒層の膜厚は厚くなり易い。触媒層の膜厚が厚くなることによって、プロトンの移動抵抗が増大し易くなる。しかしながら、EW値が850以下の第1プロトン伝導性樹脂を用いることによって、繊維状導電部材の導入により触媒層が厚膜化する場合においてもプロトン移動抵抗を低く抑えることができる。
一方で、プロトン伝導性樹脂の作製の容易さから、第1プロトン伝導性樹脂のEW値は600以上であることが好ましい。
By increasing the proportion of the fibrous conductive member, the thickness of the catalyst layer tends to increase. As the thickness of the catalyst layer increases, proton movement resistance tends to increase. However, by using the first proton conductive resin having an EW value of 850 or less, the proton transfer resistance can be kept low even when the catalyst layer becomes thick due to the introduction of a fibrous conductive member.
On the other hand, the EW value of the first proton conductive resin is preferably 600 or more in view of ease of manufacturing the proton conductive resin.

さらに、第1プロトン伝導性樹脂として、EW値が600~850のものを用いることで、プロトン移動抵抗が低下するとともに、ガス拡散性を一層高めることができることが分かった。第1プロトン伝導性樹脂のEW値は、600~850であってもよく、600~800であってもよく、650~800であってもよい。 Furthermore, it has been found that by using a resin with an EW value of 600 to 850 as the first proton conductive resin, proton transfer resistance can be lowered and gas diffusivity can be further improved. The EW value of the first proton conductive resin may be 600 to 850, 600 to 800, or 650 to 800.

水銀圧入法により触媒層の細孔径Dの分布を測定した結果、上記条件(1)~(3)を満たす触媒層は、対数微分細孔容積dV/d(logD)の分布が、0.006μm~0.015μmの範囲にピークを有し得る。よって、細孔径0.006μm~0.015μmの微細孔を介したガスの拡散経路が形成されることで、ガス拡散性が向上するものと考えられる。
なお、logDは細孔径D(μm)の常用対数である。上記0.006μm~0.015μmの範囲におけるピークは、最大ピーク値が0.4(cc/g・logμm)以上であり得る。
As a result of measuring the distribution of pore diameter D of the catalyst layer by mercury porosimetry, it was found that the catalyst layer satisfying the above conditions (1) to (3) had a distribution of logarithmic differential pore volume dV/d (logD) of 0.006 μm. It may have a peak in the range of ~0.015 μm. Therefore, it is considered that the gas diffusivity is improved by forming a gas diffusion path through the micropores having a pore diameter of 0.006 μm to 0.015 μm.
Note that logD is a common logarithm of the pore diameter D (μm). The peak in the range of 0.006 μm to 0.015 μm may have a maximum peak value of 0.4 (cc/g·log μm) or more.

細孔容積分布において、細孔径Dが0.006μm~0.015μmの領域における細孔の体積は、0.006μm~0.2μmの領域における細孔の体積の20%以上であり得る。 In the pore volume distribution, the volume of pores in the region where the pore diameter D is 0.006 μm to 0.015 μm may be 20% or more of the volume of the pores in the region where the pore diameter D is 0.006 μm to 0.2 μm.

微細孔が形成される理由としては、現在解明中であり、限定されるものではないが、以下の点が考えられる。
EW値が600~850のプロトン伝導性樹脂は、プロトン交換基を有する側鎖の数が多く、嵩高い構造を有している。繊維状導電部材と混合することによって、プロトン伝導性樹脂と繊維状導電部材とが絡み合った3次元ネットワークを形成し、このネットワークによりガス拡散が可能な微細孔を有する細孔構造が形成されていると考えられる。
The reasons for the formation of micropores are currently being elucidated and are not limited to the following, but the following points can be considered.
A proton conductive resin having an EW value of 600 to 850 has a large number of side chains having proton exchange groups and has a bulky structure. By mixing with the fibrous conductive material, a three-dimensional network in which the proton conductive resin and the fibrous conductive material are intertwined is formed, and this network forms a pore structure having micropores that allow gas diffusion. it is conceivable that.

上記の触媒層は、ガス拡散性に優れることから、燃料電池のカソード側に設けられるカソード触媒層としての利用に適している。 The above-described catalyst layer has excellent gas diffusivity and is therefore suitable for use as a cathode catalyst layer provided on the cathode side of a fuel cell.

本開示の実施形態に係る燃料電池は、上記のカソード触媒層を有するカソードと、アノードと、カソードとアノードとの間に介在する電解質膜と、を備える。アノードは、通常、アノード触媒層を有する。 A fuel cell according to an embodiment of the present disclosure includes a cathode having the cathode catalyst layer described above, an anode, and an electrolyte membrane interposed between the cathode and the anode. The anode typically has an anode catalyst layer.

アノード側に設けられるアノード触媒層については、カソード触媒層と同様、繊維状導電部材(第2繊維状導電部材)、粒子状導電部材(第2粒子状導電部材)、触媒粒子(第2触媒粒子)、および、プロトン伝導性樹脂(第2プロトン伝導性樹脂)を備えたものとすることができる。しかしながら、アノード触媒層における繊維状導電部材、粒子状導電部材、触媒粒子、および、プロトン伝導性樹脂の材質および/または配合比率については、カソード触媒層と同じである必要はなく、必要に応じて適宜変更してよい。 As with the cathode catalyst layer, the anode catalyst layer provided on the anode side includes a fibrous conductive member (second fibrous conductive member), a particulate conductive member (second particulate conductive member), and catalyst particles (second catalyst particles). ), and a proton conductive resin (second proton conductive resin). However, the materials and/or blending ratios of the fibrous conductive member, particulate conductive member, catalyst particles, and proton conductive resin in the anode catalyst layer do not need to be the same as those in the cathode catalyst layer, and may be changed as necessary. You may change it as appropriate.

特に、低加湿条件で動作させる場合、アノード触媒層において、第2粒子状導電部材の質量に対する第2プロトン伝導性樹脂の質量の割合I2/C2を、カソード触媒層における第1粒子状導電部材の質量に対する第1プロトン伝導性樹脂の質量の割合I1/C1よりも大きくするのが好ましい。 In particular, when operating under low humidification conditions, the ratio I 2 /C 2 of the mass of the second proton conductive resin to the mass of the second particulate conductive member in the anode catalyst layer is set to The ratio of the mass of the first proton conductive resin to the mass of the member is preferably greater than I 1 /C 1 .

カソードでは、酸化性ガスとの反応により水が生成される。これに対し、水が生成されないアノードでは、カソードと比べてより乾燥し、低湿度の環境になり易い。しかしながら、アノード触媒層におけるI2/C2を、カソード触媒層におけるI1/C1よりも大きくすることで、カソードで生成された水をアノード側に拡散し易くなる。これにより、低加湿の動作条件において一層の出力向上を望める。 At the cathode, water is produced by reaction with an oxidizing gas. On the other hand, the anode, where water is not produced, tends to be in a drier, lower humidity environment than the cathode. However, by making I 2 /C 2 in the anode catalyst layer larger than I 1 /C 1 in the cathode catalyst layer, water generated at the cathode can be easily diffused to the anode side. As a result, further improvement in output can be expected under low humidification operating conditions.

第2粒子状導電部材100質量部に対する第2繊維状導電部材の割合を、30~60質量部とし、かつ、I2/C2を1.2~2.5(より好ましくは、1.4~2.5)の範囲としてもよい。これにより、アノード側の湿度を高め易く、低加湿の稼働条件においても高い出力を得易い。 The ratio of the second fibrous conductive member to 100 parts by mass of the second particulate conductive member is 30 to 60 parts by mass, and I 2 /C 2 is 1.2 to 2.5 (more preferably 1.4 ~2.5). This makes it easy to increase the humidity on the anode side, making it easy to obtain high output even under low humidification operating conditions.

以下に、触媒層(アノード触媒層およびカソード触媒層)に共通の要素について、詳細に説明する。 Below, elements common to the catalyst layers (anode catalyst layer and cathode catalyst layer) will be explained in detail.

(繊維状導電部材)
繊維状導電部材としては、例えば、気相成長炭素繊維(VGCF(登録商標))、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー等の繊維状炭素材料が挙げられる。繊維状導電部材の直径DFについては、特に限定されないが、好ましくは200nm以下であり、より好ましくは5nm以上200nm以下であり、更に好ましくは10nm以上170nm以下である。この場合、触媒層中に占める繊維状導電部材の体積割合を小さくしながら、ガス経路を十分に確保することができ、ガス拡散性を高めることができる。繊維状導電部材の直径DFは、触媒層から繊維状導電部材を任意に10本取り出し、これらの直径を平均化することにより求められる。直径は、繊維状導電部材の長さ方向に垂直な方向の長さである。
(fibrous conductive member)
Examples of the fibrous conductive member include fibrous carbon materials such as vapor grown carbon fiber (VGCF (registered trademark)), carbon nanotubes, and carbon nanofibers. The diameter D F of the fibrous conductive member is not particularly limited, but is preferably 200 nm or less, more preferably 5 nm or more and 200 nm or less, and even more preferably 10 nm or more and 170 nm or less. In this case, a sufficient gas path can be secured while reducing the volume ratio of the fibrous conductive member in the catalyst layer, and gas diffusibility can be improved. The diameter D F of the fibrous conductive member is determined by arbitrarily taking out 10 fibrous conductive members from the catalyst layer and averaging these diameters. The diameter is the length in the direction perpendicular to the length direction of the fibrous conductive member.

繊維状導電部材の長さLFについても、特に限定されないが、好ましくは0.2μm以上20μm以下であり、より好ましくは0.2μm以上10μm以下であるとよい。この場合、繊維が略直線状となり、繊維状導電部材の少なくとも一部が触媒層の厚み方向に沿って配向し、ガス拡散経路を確保しやすい。繊維状導電部材の長さLFは、平均繊維長さであり、触媒層から繊維状導電部材を任意に10本取り出し、これらの繊維状導電部材の繊維長さを平均化することにより、求められる。なお、略直線状の繊維の場合、上記の繊維状導電部材の繊維長さとは、繊維状導電部材の一端と、その他端とを直線で結んだときのその直線の長さを意味する。 The length L F of the fibrous conductive member is also not particularly limited, but is preferably 0.2 μm or more and 20 μm or less, more preferably 0.2 μm or more and 10 μm or less. In this case, the fibers are substantially linear, and at least a portion of the fibrous conductive member is oriented along the thickness direction of the catalyst layer, making it easy to ensure a gas diffusion path. The length L F of the fibrous conductive member is the average fiber length, and is determined by arbitrarily taking out 10 fibrous conductive members from the catalyst layer and averaging the fiber lengths of these fibrous conductive members. It will be done. In addition, in the case of substantially straight fibers, the fiber length of the fibrous conductive member mentioned above means the length of a straight line when one end of the fibrous conductive member and the other end are connected by a straight line.

繊維状導電部材は、内部に中空の空間(中空部)を有していてもよい。この場合、触媒層内において、繊維状導電部材の長さ方向の両端のそれぞれが開口していてもよい。繊維状導電部材の長さ方向の両端のそれぞれが開口しているとは、当該開口により中空部と外部とが連通していることを意味する。すなわち、繊維状導電部材の両端の開口は、電解質膜およびガス拡散層のいずれによっても塞がれておらず、ガスが両端から出入り可能である。
中空部を有する繊維状導電部材の側壁には、中空部と外部とを連通する貫通孔が設けられてもよい。貫通孔の少なくとも一部を塞ぐように、触媒粒子を繊維状導電部材の側壁に配し、固定化することができる。貫通孔の少なくとも一部を塞ぐように側壁に担持された触媒粒子は、反応ガスとの接触がより効率的に行われ、触媒層の反応効率を大幅に高められる。
The fibrous conductive member may have a hollow space (hollow part) inside. In this case, both longitudinal ends of the fibrous electrically conductive member may be open in the catalyst layer. The fact that both longitudinal ends of the fibrous conductive member are open means that the hollow portion and the outside communicate with each other through the openings. That is, the openings at both ends of the fibrous conductive member are not blocked by either the electrolyte membrane or the gas diffusion layer, and gas can enter and exit from both ends.
The side wall of the fibrous conductive member having a hollow portion may be provided with a through hole that communicates the hollow portion with the outside. Catalyst particles can be arranged and immobilized on the side wall of the fibrous electrically conductive member so as to block at least a portion of the through hole. The catalyst particles supported on the side wall so as to block at least a portion of the through-hole can more efficiently contact the reaction gas, and the reaction efficiency of the catalyst layer can be greatly increased.

(粒子状導電部材)
粒子状導電部材としては特に限定されないが、導電性に優れる点で、カーボンブラックが好ましい。カーボンブラックとしては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、サーマルブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラックなどが挙げられる。その粒径(あるいは、複数の連結した一次粒子で構成されたストラクチャーの長さ)は特に限定されず、従来、燃料電池の触媒層に用いられるものを使用することができる。
(Particulate conductive member)
The particulate conductive member is not particularly limited, but carbon black is preferred because it has excellent conductivity. Examples of carbon black include acetylene black, Ketjen black, thermal black, furnace black, and channel black. The particle size (or the length of the structure composed of a plurality of connected primary particles) is not particularly limited, and those conventionally used in catalyst layers of fuel cells can be used.

(触媒粒子)
触媒粒子としては特に限定されないが、Sc、Y、Ti、Zr、V、Nb、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Pt、Os、Ir、ランタノイド系列元素やアクチノイド系列の元素の中から選ばれる合金や単体といった触媒金属が挙げられる。例えば、アノードに用いられる触媒粒子としては、Pt、Pt-Ru合金等が挙げられる。カソードに用いられる触媒粒子としては、Pt、Pt-Co合金等が挙げられる。触媒粒子の少なくとも一部は、粒子状導電部材に担持されている。触媒粒子は、粒子状導電部材に加えて、繊維状導電部材に担持されていてもよい。この場合、触媒粒子がガスに接触し易くなり、ガスの酸化反応あるいは還元反応の効率を高めることができる。
(Catalyst particles)
Catalyst particles are not particularly limited, but include Sc, Y, Ti, Zr, V, Nb, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Pt, Os, Ir, lanthanide series elements, and actinide series elements. Examples include catalytic metals such as selected alloys and simple substances. For example, the catalyst particles used in the anode include Pt, Pt-Ru alloy, and the like. Examples of the catalyst particles used in the cathode include Pt and Pt--Co alloy. At least a portion of the catalyst particles are supported on the particulate conductive member. In addition to the particulate conductive member, the catalyst particles may be supported on the fibrous conductive member. In this case, the catalyst particles can easily come into contact with the gas, and the efficiency of the gas oxidation reaction or reduction reaction can be increased.

一方で、繊維状導電部材に触媒粒子が実質的に担持されていない構成も可能である。すなわち、アノード触媒層および/またはカソード触媒層において、触媒粒子は、実質的に粒子状導電部材にのみ担持されていてもよい。繊維状導電部材の触媒担持密度が低いほど、触媒層の撥水性が高まる。よって、この場合、触媒層の排水性が向上し、ガス拡散性を高めることができる。ここで、繊維状導電部材に触媒粒子が実質的に担持されていないとは、以下の場合をいう。
繊維状導電部材の電子顕微鏡による写真から、繊維状導電部材に担持された触媒粒子の個数iをカウントし、繊維状導電部材の単位表面積当たりの繊維状導電部材に担持された触媒粒子数を導出する。写真内で占める繊維状導電部材の面積をSとする。触媒粒子数iをSで除算し、写真内の複数の領域(例えば、50箇所以上)についてi/Sの平均を求めると、i/Sの平均値から、繊維状導電部材に担持されている触媒粒子の繊維状導電部材の表面積当たりの数を推定できる。i/Sの平均値が0.01μm2当たり5個以下(すなわち、一辺100nmの正方形の領域内に5個以下)である場合、触媒粒子は、繊維状導電部材には実質的に担持されていないといえる。
On the other hand, a configuration in which catalyst particles are not substantially supported on the fibrous conductive member is also possible. That is, in the anode catalyst layer and/or the cathode catalyst layer, the catalyst particles may be substantially supported only on the particulate conductive member. The lower the catalyst supporting density of the fibrous conductive member, the higher the water repellency of the catalyst layer. Therefore, in this case, the drainage properties of the catalyst layer can be improved and the gas diffusivity can be enhanced. Here, the expression "substantially no catalyst particles are supported on the fibrous conductive member" refers to the following cases.
From an electron microscope photograph of the fibrous conductive member, the number i of catalyst particles supported on the fibrous conductive member is counted, and the number of catalyst particles supported on the fibrous conductive member per unit surface area of the fibrous conductive member is derived. do. Let S be the area occupied by the fibrous conductive member in the photograph. When the number i of catalyst particles is divided by S and the average of i/S is obtained for multiple areas (for example, 50 or more locations) in the photograph, it is determined from the average value of i/S that the number of catalyst particles supported on the fibrous conductive member is determined. The number of catalyst particles per surface area of the fibrous conductive member can be estimated. When the average value of i/S is 5 or less per 0.01 μm 2 (that is, 5 or less in a square area of 100 nm on a side), catalyst particles are not substantially supported on the fibrous conductive member. It can be said that there is no.

触媒粒子の固定化の観点から、触媒粒子の直径Xは、好ましくは1nm以上10nm以下であり、より好ましくは2nm以上5nm以下である。Xが1nm以上である場合、触媒粒子による触媒効果が十分に得られる。Xが10nm以下である場合、触媒粒子を粒子状導電部材および繊維状導電部材の側壁に担持させ易い。 From the viewpoint of immobilization of the catalyst particles, the diameter X of the catalyst particles is preferably 1 nm or more and 10 nm or less, more preferably 2 nm or more and 5 nm or less. When X is 1 nm or more, a sufficient catalytic effect by the catalyst particles can be obtained. When X is 10 nm or less, the catalyst particles are easily supported on the side walls of the particulate conductive member and the fibrous conductive member.

触媒粒子の直径Xは、以下のようにして求められる。
触媒層のTEM画像で観察される任意の1個の触媒粒子について、当該粒子を球状と見なした際の粒径(相当円の直径)を算出する。これを、TEM画像で観察される100~300個の触媒粒子に対して行い、それぞれの粒径を算出する。これらの粒径の平均値を触媒粒子の直径Xとする。
The diameter X of the catalyst particles is determined as follows.
For any one catalyst particle observed in a TEM image of the catalyst layer, the particle size (diameter of an equivalent circle) when the particle is considered to be spherical is calculated. This is performed for 100 to 300 catalyst particles observed in the TEM image, and the particle size of each is calculated. The average value of these particle sizes is defined as the diameter X of the catalyst particles.

(プロトン伝導性樹脂)
プロトン伝導性樹脂としては特に限定されないが、パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子、炭化水素系高分子等が例示される。なかでも、耐熱性と化学的安定性に優れる点で、パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子等が好ましい。
(Proton conductive resin)
The proton conductive resin is not particularly limited, but examples include perfluorocarbon sulfonic acid polymers and hydrocarbon polymers. Among these, perfluorocarbon sulfonic acid polymers and the like are preferred because they have excellent heat resistance and chemical stability.

プロトン伝導性樹脂は、繊維状導電部材および触媒粒子の少なくとも一部を被覆している。プロトン伝導性樹脂は、さらに、粒子状導電部材の少なくとも一部を被覆していてもよい。 The proton conductive resin covers at least a portion of the fibrous conductive member and the catalyst particles. The proton conductive resin may further cover at least a portion of the particulate conductive member.

低湿度の動作条件においてもプロトン抵抗を低く維持し、かつガス拡散性を高める点から、カソード触媒層に用いられるプロトン伝導性樹脂(第1プロトン伝導性樹脂)は、EW値が600~850のものが用いられる。通常、上記範囲のEW値を有するプロトン伝導性樹脂は、触媒層の形成において、触媒粒子、粒子状導電部材およびプロトン伝導性樹脂を含む触媒分散液を調製する際に、凝集し易い。一方、触媒分散液に繊維状導電部材、およびプロトン伝導性樹脂を上述の条件を満たす配合比で混合することによって、分散液におけるプロトン伝導性樹脂の凝集が抑制されるとともに、塗布乾燥後の触媒層においては、プロトン伝導性樹脂と繊維状導電部材が絡み合い、ガス拡散に適した微細孔が形成され得る。 The proton conductive resin (first proton conductive resin) used in the cathode catalyst layer has an EW value of 600 to 850 in order to maintain low proton resistance even under low humidity operating conditions and improve gas diffusivity. things are used. Usually, a proton conductive resin having an EW value in the above range tends to aggregate when preparing a catalyst dispersion containing catalyst particles, a particulate conductive member, and a proton conductive resin in forming a catalyst layer. On the other hand, by mixing the fibrous conductive member and the proton conductive resin in the catalyst dispersion liquid at a blending ratio that satisfies the above conditions, aggregation of the proton conductive resin in the dispersion liquid can be suppressed, and the catalyst after coating and drying can be suppressed. In the layer, the proton conductive resin and the fibrous conductive member are intertwined to form micropores suitable for gas diffusion.

触媒層の厚みTは、燃料電池の小型化、および、低湿度条件においてもプロトン抵抗を低く維持し、高出力を得る観点から、可能な限り薄いことが望ましい。一方で、強度の観点から、過度に薄くないことが好ましい。一般に、繊維状導電部材の配合割合が多くなると、触媒層の厚みは厚くなり易い。 The thickness T of the catalyst layer is desirably as thin as possible from the viewpoints of downsizing the fuel cell, maintaining low proton resistance even under low humidity conditions, and obtaining high output. On the other hand, from the viewpoint of strength, it is preferable that it is not excessively thin. Generally, as the blending ratio of the fibrous conductive member increases, the thickness of the catalyst layer tends to increase.

カソード触媒層の厚みTCは、例えば、4μm以上20μm以下であってもよく、4μm以上10μm以下であってもよい。アノード触媒層の厚みTAは、例えば、2μm以上10μm以下であってもよい。触媒層の厚みTCおよびTAは、平均厚みであり、触媒層の断面における任意の10箇所について、一方の主面から他方の主面まで、触媒層の厚み方向に沿った直線を引いたときの距離を平均化することにより、求められる。 The thickness T C of the cathode catalyst layer may be, for example, 4 μm or more and 20 μm or less, or 4 μm or more and 10 μm or less. The thickness T A of the anode catalyst layer may be, for example, 2 μm or more and 10 μm or less. The thicknesses T C and T A of the catalyst layer are average thicknesses, and straight lines are drawn along the thickness direction of the catalyst layer from one main surface to the other main surface at arbitrary 10 points in the cross section of the catalyst layer. It can be found by averaging the distances.

カソード触媒層において、粒子状導電部材に担持された触媒粒子(第1触媒粒子)の担持密度D1は、20%~50%であってもよい。同様に、アノード触媒層において、粒子状導電部材に担持された触媒粒子(第2触媒粒子)の担持密度D2は、20%~50%であってもよい。なお、担持密度D1は、第1粒子状導電部材に担持された第1触媒粒子と第1粒子状導電部材との合計質量に占める、第1粒子状導電部材に担持された第1触媒粒子の質量の割合である。担持密度D2は、第2粒子状導電部材に担持された第2触媒粒子と第2粒子状導電部材との合計質量に占める、第2粒子状導電部材に担持された第2触媒粒子の質量の割合である。 In the cathode catalyst layer, the supporting density D 1 of the catalyst particles (first catalyst particles) supported on the particulate conductive member may be 20% to 50%. Similarly, in the anode catalyst layer, the supporting density D 2 of the catalyst particles (second catalyst particles) supported on the particulate conductive member may be 20% to 50%. Note that the supported density D 1 is the amount of the first catalyst particles supported on the first particulate conductive member that occupies the total mass of the first catalyst particles supported on the first particulate conductive member and the first particulate conductive member. is the proportion of the mass of The supporting density D2 is the mass of the second catalyst particles supported on the second particulate conductive member, which occupies the total mass of the second catalyst particles supported on the second particulate conductive member and the second particulate conductive member. This is the percentage of

カソード触媒層において、粒子状導電部材の質量に対するプロトン伝導性樹脂の質量の割合I1/C1については、低加湿の動作条件においても水分を保持し、プロトン抵抗を低く維持する観点から、I1/C1を1.0以上とするのが好ましい。一方で、I1/C1を高めるに伴って、繊維状導電部材の配合割合にもよるが、細孔が形成され難く、ガス拡散性が低下し易くなる。十分なガス拡散性を得る観点から、I1/C1は1.6以下が好ましい。 In the cathode catalyst layer, the ratio I 1 /C 1 of the mass of the proton conductive resin to the mass of the particulate conductive member is determined from the viewpoint of retaining moisture even under low humidification operating conditions and maintaining low proton resistance. It is preferable that 1 /C 1 be 1.0 or more. On the other hand, as I 1 /C 1 increases, pores are less likely to be formed and gas diffusivity tends to decrease, although it depends on the blending ratio of the fibrous conductive member. From the viewpoint of obtaining sufficient gas diffusivity, I 1 /C 1 is preferably 1.6 or less.

カソードでは、反応により水が生成される。これに対し、反応水が生成されないアノードでは、カソードと比べてより乾燥し、低湿度の環境になり易い。このため、アノード触媒層はカソード触媒層よりも高い保湿性が要求され、高いI/Cが必要になり易い。
アノード触媒層において、粒子状導電部材の質量に対するプロトン伝導性樹脂の質量の割合I2/C2については、低加湿の動作条件においても水分を保持し、プロトン移動抵抗を低く維持する観点から、I2/C2を1.2以上とするのが好ましく、1.4以上がより好ましい。一方で、I2/C2を高めるに伴って、触媒層中の微細孔が減少し、ガス拡散性が低下する。ガス拡散性の低下を抑制する観点からは、I2/C2は2.5以下が好ましい。
At the cathode, the reaction produces water. On the other hand, the anode, where no reaction water is produced, tends to be in a drier, lower humidity environment than the cathode. For this reason, the anode catalyst layer is required to have higher moisture retention than the cathode catalyst layer, and tends to require a higher I/C.
In the anode catalyst layer, the ratio I 2 /C 2 of the mass of the proton conductive resin to the mass of the particulate conductive member is determined from the viewpoint of retaining moisture even under low humidification operating conditions and maintaining low proton transfer resistance. I 2 /C 2 is preferably 1.2 or more, more preferably 1.4 or more. On the other hand, as I 2 /C 2 increases, the number of micropores in the catalyst layer decreases and gas diffusivity decreases. From the viewpoint of suppressing a decrease in gas diffusivity, I 2 /C 2 is preferably 2.5 or less.

アノード触媒層においてプロトン移動抵抗を低く維持する観点から、アノード触媒層におけるI2/C2を、カソード触媒層におけるI1/C1よりも大きくしてもよい。これにより、カソードで生成された水をアノード側に拡散し易くして、アノード触媒層の保湿性を高め、プロトン移動抵抗を低く維持できる。 From the viewpoint of maintaining low proton transfer resistance in the anode catalyst layer, I 2 /C 2 in the anode catalyst layer may be larger than I 1 /C 1 in the cathode catalyst layer. Thereby, water generated at the cathode can be easily diffused to the anode side, the moisture retention of the anode catalyst layer can be increased, and proton transfer resistance can be maintained low.

触媒層における繊維状導電部材の配合割合については、アノード触媒層およびカソード触媒層ともに、繊維状導電部材が、粒子状導電部材100質量部に対して30質量部以上含まれていることにより、ガス拡散性を高めることができる。一方で、繊維状導電部材の配合量を高めると、触媒層の膜厚が厚くなり、プロトン移動抵抗が増大し易くなる。また、触媒層にクラックが生じ易くなる。プロトン移動抵抗の増大を抑制し、クラックを抑制する観点から、繊維状導電部材の配合量は、カソード触媒層においては、粒子状導電部材100質量部に対して50質量部以下であればよく、アノード触媒層においては、粒子状導電部材100質量部に対して60質量部以下であればよい。 Regarding the blending ratio of the fibrous conductive member in the catalyst layer, the fibrous conductive member is contained in an amount of 30 parts by mass or more based on 100 parts by mass of the particulate conductive member in both the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer. Diffusivity can be improved. On the other hand, when the blending amount of the fibrous conductive member is increased, the thickness of the catalyst layer becomes thicker, and the proton transfer resistance tends to increase. Moreover, cracks are likely to occur in the catalyst layer. From the viewpoint of suppressing an increase in proton transfer resistance and suppressing cracks, the amount of the fibrous conductive member in the cathode catalyst layer may be 50 parts by mass or less per 100 parts by mass of the particulate conductive member, In the anode catalyst layer, the amount may be 60 parts by mass or less based on 100 parts by mass of the particulate conductive member.

触媒層は、例えば、以下のようにして作製される。
まず、触媒粒子および粒子状導電部材を、分散媒(例えば、水、エタノール、プロパノール等)中で混合する。次いで、得られた分散液を撹拌しながら、プロトン伝導性樹脂および繊維状炭素材料を順次添加して、触媒分散液を得る。プロトン伝導性樹脂は、2回以上に分けて添加してもよい。この場合、プロトン伝導性樹脂の2回目以降の添加は、繊維状炭素材料と共に行ってもよい。その後、得られた触媒分散液を、電解質膜または適当な転写用基材シートの表面に均一な厚さで塗布し、乾燥させることにより、触媒層が得られる。
The catalyst layer is produced, for example, as follows.
First, catalyst particles and particulate conductive members are mixed in a dispersion medium (eg, water, ethanol, propanol, etc.). Next, while stirring the resulting dispersion, a proton conductive resin and a fibrous carbon material are sequentially added to obtain a catalyst dispersion. The proton conductive resin may be added in two or more parts. In this case, the second and subsequent additions of the proton conductive resin may be performed together with the fibrous carbon material. Thereafter, a catalyst layer is obtained by applying the obtained catalyst dispersion liquid to a uniform thickness on the surface of an electrolyte membrane or a suitable transfer base sheet and drying it.

塗布法としては、慣用の塗布方法、例えば、スプレー法、スクリーン印刷法、および、ブレードコーター、ナイフコーター、グラビアコーターなどの各種コーターを利用するコーティング法等が挙げられる。転写用基材シートとしては、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリプロピレンなどの平滑表面を有するシートを用いることが好ましい。転写用基材シートを用いる場合、得られた触媒層は、後述する電解質膜またはガス拡散層に転写される。 Examples of the coating method include conventional coating methods such as a spray method, a screen printing method, and a coating method using various coaters such as a blade coater, knife coater, and gravure coater. As the transfer base sheet, it is preferable to use, for example, a sheet having a smooth surface such as polyethylene terephthalate (PET) or polypropylene. When using a transfer base sheet, the obtained catalyst layer is transferred to an electrolyte membrane or a gas diffusion layer, which will be described later.

触媒層の電解質膜またはガス拡散層への転写は、触媒層の転写用基材シートに対向していた面を、電解質膜またはガス拡散層に当接させることにより行われる。触媒層の平滑な面を電解質膜またはガス拡散層に当接させることにより、触媒層との界面抵抗が減少し、燃料電池の性能が向上する。電解質層に直接、触媒分散液を塗布してもよい。 Transfer of the catalyst layer to the electrolyte membrane or gas diffusion layer is performed by bringing the surface of the catalyst layer facing the transfer base sheet into contact with the electrolyte membrane or gas diffusion layer. By bringing the smooth surface of the catalyst layer into contact with the electrolyte membrane or gas diffusion layer, the interfacial resistance with the catalyst layer is reduced and the performance of the fuel cell is improved. The catalyst dispersion may be applied directly to the electrolyte layer.

以下、本実施形態に係る燃料電池の構造の一例を、図1を参照しながら説明する。図1は、一実施形態に係る燃料電池に配置される単セルの構造を模式的に示す断面図である。通常、複数の単セルは積層されて、セルスタックとして燃料電池に配置される。図1では、便宜上、1つの単セルを示している。本実施形態に係る燃料電池は、水素(H2)を燃料に用いる。 An example of the structure of the fuel cell according to this embodiment will be described below with reference to FIG. 1. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a single cell arranged in a fuel cell according to an embodiment. Usually, a plurality of single cells are stacked and arranged in a fuel cell as a cell stack. In FIG. 1, one single cell is shown for convenience. The fuel cell according to this embodiment uses hydrogen (H 2 ) as fuel.

単セル200は、電解質膜110と、電解質膜110を挟むように配置された第1触媒層120Aおよび第2触媒層120Bと、第1触媒層120Aおよび第2触媒層120Bをそれぞれ介して、電解質膜110を挟むように配置された第1ガス拡散層130Aおよび第2ガス拡散層130Bと、を有する膜電極接合体100を備える。また、単セル200は、膜電極接合体100を挟む第1セパレータ240Aおよび第2セパレータ240Bを備える。第1触媒層120Aおよび第2触媒層120Bのうちの一方はアノードとして機能し、他方は、カソードとして機能する。アノードには、ガス流路260Aまたは260Bを介して、水素(H2)を含むガスが供給され得る。電解質膜110は、第1触媒層120Aおよび第2触媒層120Bより一回り大きいため、電解質膜110の周縁部は、第1触媒層120Aおよび第2触媒層120Bからはみ出している。電解質膜110の周縁部は、一対のシール部材250A、250Bで挟持されている。 The unit cell 200 has an electrolyte membrane 110, a first catalyst layer 120A and a second catalyst layer 120B arranged to sandwich the electrolyte membrane 110, and an electrolyte through the first catalyst layer 120A and the second catalyst layer 120B, respectively. The membrane electrode assembly 100 includes a first gas diffusion layer 130A and a second gas diffusion layer 130B arranged to sandwich a membrane 110 therebetween. Furthermore, the single cell 200 includes a first separator 240A and a second separator 240B that sandwich the membrane electrode assembly 100 therebetween. One of the first catalyst layer 120A and the second catalyst layer 120B functions as an anode, and the other functions as a cathode. A gas containing hydrogen (H 2 ) can be supplied to the anode via the gas flow path 260A or 260B. Since the electrolyte membrane 110 is one size larger than the first catalyst layer 120A and the second catalyst layer 120B, the peripheral edge of the electrolyte membrane 110 protrudes from the first catalyst layer 120A and the second catalyst layer 120B. The peripheral edge of the electrolyte membrane 110 is sandwiched between a pair of seal members 250A and 250B.

第1触媒層120Aおよび第2触媒層120Bのいずれか一方は、アノード触媒層であり、他方はカソード触媒層である。ここでは、第2触媒層120Bをアノード触媒層とする。この場合、第1触媒層120Aがカソード触媒層であり、第1繊維状導電部材、第1粒子状導電部材、および、第1プロトン伝導性樹脂の構成が上記条件(1)~(3)を満している。アノード触媒層である第2触媒層120Bとしては、公知の材質および公知の構成を採用できるほか、I2/C2>I1/C1となるように第2繊維状導電部材、第2粒子状導電部材、および、第2プロトン伝導性樹脂を配合した上述のアノード触媒層の構成を好ましく採用できる。 One of the first catalyst layer 120A and the second catalyst layer 120B is an anode catalyst layer, and the other is a cathode catalyst layer. Here, the second catalyst layer 120B is an anode catalyst layer. In this case, the first catalyst layer 120A is a cathode catalyst layer, and the configurations of the first fibrous conductive member, the first particulate conductive member, and the first proton conductive resin satisfy the above conditions (1) to (3). Satisfied. As the second catalyst layer 120B, which is the anode catalyst layer, a known material and a known configuration can be adopted, and the second fibrous conductive member, the second particle The above-described structure of the anode catalyst layer containing the conductive member and the second proton conductive resin can be preferably adopted.

(電解質膜)
電解質膜110として、高分子電解質膜が好ましく用いられる。高分子電解質膜の材料としては、プロトン伝導性樹脂として例示した高分子電解質が挙げられる。電解質膜の厚みは、例えば5~30μmである。
(electrolyte membrane)
As the electrolyte membrane 110, a polymer electrolyte membrane is preferably used. Examples of materials for the polymer electrolyte membrane include the polymer electrolytes exemplified as proton conductive resins. The thickness of the electrolyte membrane is, for example, 5 to 30 μm.

(ガス拡散層)
第1ガス拡散層130Aおよび第2ガス拡散層130Bとしては、基材層を有する構造でもよく、基材層を有さない構造でもよい。基材層を有する構造としては、例えば、基材層と、その触媒層側に設けられた微多孔層とを有する構造体が挙げられる。基材層には、カーボンクロスやカーボンペーパー等の導電性多孔質シートが用いられる。微多孔層には、フッ素樹脂等の撥水性樹脂と、導電性炭素材料と、プロトン伝導性樹脂(高分子電解質)との混合物等が用いられる。
(Gas diffusion layer)
The first gas diffusion layer 130A and the second gas diffusion layer 130B may have a structure with a base material layer or may have a structure without a base material layer. Examples of structures having a base layer include a structure having a base layer and a microporous layer provided on the catalyst layer side. A conductive porous sheet such as carbon cloth or carbon paper is used for the base layer. For the microporous layer, a mixture of a water repellent resin such as a fluororesin, a conductive carbon material, and a proton conductive resin (polymer electrolyte) is used.

(セパレータ)
第1セパレータ240Aおよび第2セパレータ240Bは、気密性、電子伝導性および電気化学的安定性を有すればよく、その材質は特に限定されない。このような材質としては、炭素材料、金属材料等が好ましい。金属材料には、カーボンを被覆してもよい。例えば、金属板を所定形状に打ち抜き、表面処理を施すことにより、第1セパレータ240Aおよび第2セパレータ240Bが得られる。
(Separator)
The materials of the first separator 240A and the second separator 240B are not particularly limited as long as they have airtightness, electronic conductivity, and electrochemical stability. As such materials, carbon materials, metal materials, etc. are preferable. The metal material may be coated with carbon. For example, the first separator 240A and the second separator 240B are obtained by punching a metal plate into a predetermined shape and subjecting it to surface treatment.

本実施形態においては、第1セパレータ240Aの第1ガス拡散層130Aと当接する側の面には、ガス流路260Aが形成されている。一方、第2セパレータ240Bの第2ガス拡散層130Bと当接する側の面には、ガス流路260Bが形成されている。ガス流路の形状は特に限定されず、ストレート型、サーペンタイン型等に形成すればよい。 In this embodiment, a gas flow path 260A is formed on the surface of the first separator 240A that comes into contact with the first gas diffusion layer 130A. On the other hand, a gas flow path 260B is formed on the surface of the second separator 240B that comes into contact with the second gas diffusion layer 130B. The shape of the gas flow path is not particularly limited, and may be formed into a straight type, serpentine type, or the like.

(シール部材)
シール部材250A、250Bは、弾性を有する材料であり、ガス流路260A、260Bから燃料および/または酸化剤がリークすることを防止している。シール部材250A、250Bは、例えば、第1触媒層120Aおよび第2触媒層120Bの周縁部をループ状に取り囲むような枠状の形状を有する。シール部材250A、250Bとしては、それぞれ、公知の材質および公知の構成が採用できる。
(Seal member)
The seal members 250A, 250B are made of an elastic material and prevent fuel and/or oxidizer from leaking from the gas flow paths 260A, 260B. The seal members 250A and 250B have, for example, a frame shape that surrounds the peripheral edges of the first catalyst layer 120A and the second catalyst layer 120B in a loop shape. As the seal members 250A and 250B, known materials and known configurations can be used, respectively.

以下、本開示を実施例に基づいて、更に詳細に説明する。ただし、本開示は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present disclosure will be described in more detail based on examples. However, the present disclosure is not limited to the following examples.

[実施例1]
<カソード触媒層用の分散液の調製>
触媒粒子(Pt-Co合金)を担持した粒子状導電部材(カーボンブラック)を適量の水に添加、撹拌して、分散させた。得られた分散液を撹拌しながら適量のエタノールを加えた後、上記粒子状導電部材100質量部に対して、繊維状導電部材(気相成長炭素繊維、平均直径150nm、平均繊維長10μm)40質量部、および、プロトン伝導性樹脂(パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子、EW値700)100質量部を添加し、撹拌することにより、カソード触媒層用の触媒分散液を調製した。
[Example 1]
<Preparation of dispersion liquid for cathode catalyst layer>
A particulate conductive member (carbon black) carrying catalyst particles (Pt--Co alloy) was added to an appropriate amount of water, and the mixture was stirred and dispersed. After adding an appropriate amount of ethanol to the resulting dispersion while stirring, 40 parts of the fibrous conductive member (vapor-grown carbon fiber, average diameter 150 nm, average fiber length 10 μm) was added to 100 parts by mass of the particulate conductive member. A catalyst dispersion liquid for a cathode catalyst layer was prepared by adding parts by mass and 100 parts by mass of a proton conductive resin (perfluorocarbon sulfonic acid polymer, EW value 700) and stirring.

<アノード触媒層用の分散液の調製>
触媒粒子(Pt)を担持した粒子状導電部材(カーボンブラック)を適量の水に添加、撹拌して、分散させた。得られた分散液を撹拌しながら適量のエタノールを加えた後、上記粒子状導電部材100質量部に対して、繊維状導電部材(気相成長炭素繊維、平均直径150nm、平均繊維長10μm)40質量部、および、プロトン伝導性樹脂(パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子、EW値900)120質量部を添加し、撹拌することにより、アノード触媒層用の触媒分散液を調製した。
カソード触媒層におけるI1/C1=1.0であり、アノード触媒層におけるI2/C2=1.2である。
<Preparation of dispersion liquid for anode catalyst layer>
A particulate conductive member (carbon black) carrying catalyst particles (Pt) was added to an appropriate amount of water, and the mixture was stirred and dispersed. After adding an appropriate amount of ethanol to the resulting dispersion while stirring, 40 parts of the fibrous conductive member (vapor-grown carbon fiber, average diameter 150 nm, average fiber length 10 μm) was added to 100 parts by mass of the particulate conductive member. and 120 parts by mass of a proton conductive resin (perfluorocarbon sulfonic acid polymer, EW value 900) were added and stirred to prepare a catalyst dispersion for an anode catalyst layer.
I 1 /C 1 =1.0 in the cathode catalyst layer, and I 2 /C 2 =1.2 in the anode catalyst layer.

<単セルの作製>
次に、2枚のPETシートを準備した。スクリーン印刷法を用いて、一方のPETシートの平滑な表面に、得られたカソード触媒層用の触媒分散液を均一な厚さで塗布し、他方のPETシートの平滑な表面に、得られたアノード触媒層用の触媒分散液を均一な厚さで塗布した。その後、乾燥して、2つの触媒層を形成した。カソード触媒層の膜厚は7μmであり、アノード触媒層の膜厚は3μmであった。
<Preparation of single cell>
Next, two PET sheets were prepared. Using the screen printing method, the obtained catalyst dispersion for the cathode catalyst layer was applied to the smooth surface of one PET sheet in a uniform thickness, and the obtained catalyst dispersion liquid for the cathode catalyst layer was applied to the smooth surface of the other PET sheet. A catalyst dispersion liquid for an anode catalyst layer was applied to a uniform thickness. Thereafter, it was dried to form two catalyst layers. The thickness of the cathode catalyst layer was 7 μm, and the thickness of the anode catalyst layer was 3 μm.

厚さ15μmの電解質膜の両方の主面に得られた触媒層をそれぞれ転写して、電解質膜の一方の表面にカソードを、他方の表面にアノードを形成した。また、ガス拡散層として多孔質導電性カーボンシートを2枚準備し、一方をアノードに、他方をカソードに、それぞれ当接させた。 The obtained catalyst layers were transferred onto both main surfaces of an electrolyte membrane having a thickness of 15 μm to form a cathode on one surface of the electrolyte membrane and an anode on the other surface. Further, two porous conductive carbon sheets were prepared as gas diffusion layers, and one was brought into contact with the anode and the other with the cathode.

次に、アノードおよびカソードを囲むように枠状シール部材を配置した。ガス拡散層に接する部分にガス流路を有する一対のステンレス鋼製平板(セパレータ)で全体を挟持して、試験用単セルA1を完成させた。 Next, a frame-shaped seal member was placed to surround the anode and cathode. A test single cell A1 was completed by sandwiching the entire cell between a pair of stainless steel flat plates (separators) having a gas flow path in the portion in contact with the gas diffusion layer.

<評価>
実施例1の単セルA1の発電性能を評価した。具体的には、単セルA1を80℃に加熱し、相対湿度20~40%の燃料ガス(H2)をアノードに、相対湿度20~40%の酸化剤ガス(空気)をカソードに供給した。燃料ガス、および、酸化剤ガスは、セル入口ガス圧力40~120kPaに加圧して供給した。そして、電流が一定に流れるように負荷制御装置を制御し、アノードおよびカソードの電極面積に対する電流密度を変化させながら、単セルA1の電圧(初期電圧)V、抵抗値R、および出力密度Pを測定した。
<Evaluation>
The power generation performance of the single cell A1 of Example 1 was evaluated. Specifically, the single cell A1 was heated to 80° C., and fuel gas (H 2 ) with a relative humidity of 20 to 40% was supplied to the anode, and oxidant gas (air) with a relative humidity of 20 to 40% was supplied to the cathode. . The fuel gas and the oxidant gas were supplied at a cell inlet gas pressure of 40 to 120 kPa. Then, the voltage (initial voltage) V, resistance value R, and power density P of the single cell A1 are controlled while controlling the load control device so that the current flows constantly, and changing the current density with respect to the electrode area of the anode and cathode. It was measured.

[実施例2]
粒子状導電部材100質量部に対して、繊維状導電部材(気相成長炭素繊維、平均直径150nm、平均繊維長10μm)30質量部、および、プロトン伝導性樹脂(パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子、EW値700)100質量部を添加し、撹拌することにより、カソード触媒層用の触媒分散液を調製した。
[Example 2]
For 100 parts by mass of particulate conductive member, 30 parts by mass of fibrous conductive member (vapor grown carbon fiber, average diameter 150 nm, average fiber length 10 μm), and proton conductive resin (perfluorocarbon sulfonic acid polymer, A catalyst dispersion liquid for a cathode catalyst layer was prepared by adding 100 parts by mass (EW value: 700) and stirring.

これ以外については、実施例1と同様にして、アノード触媒層用の触媒分散液を調製し、試験用単セルA2を完成させた。
単セルA2において、カソード触媒層におけるI1/C1=1.0である。
Except for this, a catalyst dispersion liquid for an anode catalyst layer was prepared in the same manner as in Example 1, and a test single cell A2 was completed.
In the single cell A2, I 1 /C 1 in the cathode catalyst layer is 1.0.

[実施例3]
粒子状導電部材100質量部に対して、繊維状導電部材(気相成長炭素繊維、平均直径150nm、平均繊維長10μm)40質量部、および、プロトン伝導性樹脂(パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子、EW値850)100質量部を添加し、撹拌することにより、カソード触媒層用の触媒分散液を調製した。
[Example 3]
For 100 parts by mass of particulate conductive member, 40 parts by mass of fibrous conductive member (vapor grown carbon fiber, average diameter 150 nm, average fiber length 10 μm), and proton conductive resin (perfluorocarbon sulfonic acid polymer, A catalyst dispersion liquid for a cathode catalyst layer was prepared by adding 100 parts by mass (EW value: 850) and stirring.

これ以外については、実施例1と同様にして、アノード触媒層用の触媒分散液を調製し、試験用単セルA3を完成させた。
単セルA3において、カソード触媒層におけるI1/C1=1.0である。
Other than this, a catalyst dispersion liquid for an anode catalyst layer was prepared in the same manner as in Example 1, and a test single cell A3 was completed.
In the single cell A3, I 1 /C 1 in the cathode catalyst layer is 1.0.

[比較例1]
カソード触媒層用の分散液の調製において、プロトン伝導性樹脂としてEW値が900のパーフルオロカーボンスルホン酸系高分子を用いた。
粒子状導電部材100質量部に対して、繊維状導電部材(気相成長炭素繊維、平均直径150nm、平均繊維長10μm)20質量部、および、プロトン伝導性樹脂(パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子、EW値900)120質量部を添加し、撹拌することにより、カソード触媒層用の触媒分散液を調製した。
[Comparative example 1]
In preparing the dispersion liquid for the cathode catalyst layer, a perfluorocarbon sulfonic acid polymer having an EW value of 900 was used as the proton conductive resin.
For 100 parts by mass of particulate conductive member, 20 parts by mass of fibrous conductive member (vapor grown carbon fiber, average diameter 150 nm, average fiber length 10 μm), and proton conductive resin (perfluorocarbon sulfonic acid polymer, A catalyst dispersion liquid for the cathode catalyst layer was prepared by adding 120 parts by mass (EW value: 900) and stirring.

これ以外については、実施例1と同様にして、アノード触媒層用の触媒分散液を調製し、試験用単セルB1を完成させた。
単セルB1において、カソード触媒層におけるI1/C1=1.2である。
Except for this, a catalyst dispersion liquid for an anode catalyst layer was prepared in the same manner as in Example 1, and a test single cell B1 was completed.
In the single cell B1, I 1 /C 1 in the cathode catalyst layer is 1.2.

[比較例2]
カソード触媒層用の分散液の調製において、繊維状導電部材を添加しなかった。
粒子状導電部材100質量部に対して、プロトン伝導性樹脂(パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子、EW値900)120質量部を添加し、撹拌することにより、カソード触媒層用の触媒分散液を調製した。
[Comparative example 2]
In preparing the dispersion for the cathode catalyst layer, no fibrous conductive member was added.
A catalyst dispersion liquid for the cathode catalyst layer is prepared by adding 120 parts by mass of proton conductive resin (perfluorocarbon sulfonic acid polymer, EW value 900) to 100 parts by mass of the particulate conductive member and stirring. did.

これ以外については、比較例1と同様にして、アノード触媒層用の触媒分散液を調製し、試験用単セルB2を完成させた。
単セルB2において、カソード触媒層におけるI1/C1=1.2である。
Except for this, a catalyst dispersion liquid for an anode catalyst layer was prepared in the same manner as in Comparative Example 1, and a test single cell B2 was completed.
In the single cell B2, I 1 /C 1 =1.2 in the cathode catalyst layer.

[比較例3]
粒子状導電部材100質量部に対して、繊維状導電部材(気相成長炭素繊維、平均直径150nm、平均繊維長10μm)20質量部、および、プロトン伝導性樹脂(パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子、EW値700)120質量部を添加し、撹拌することにより、カソード触媒層用の触媒分散液を調製した。
[Comparative example 3]
For 100 parts by mass of particulate conductive member, 20 parts by mass of fibrous conductive member (vapor grown carbon fiber, average diameter 150 nm, average fiber length 10 μm), and proton conductive resin (perfluorocarbon sulfonic acid polymer, A catalyst dispersion liquid for the cathode catalyst layer was prepared by adding 120 parts by mass (EW value: 700) and stirring.

これ以外については、実施例1と同様にして、アノード触媒層用の触媒分散液を調製し、試験用単セルB3を完成させた。
単セルB3において、カソード触媒層におけるI1/C1=1.2である。
[比較例4]
粒子状導電部材100質量部に対して、繊維状導電部材(気相成長炭素繊維、平均直径150nm、平均繊維長10μm)20質量部、および、プロトン伝導性樹脂(パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子、EW値700)100質量部を添加し、撹拌することにより、カソード触媒層用の触媒分散液を調製した。
Except for this, a catalyst dispersion liquid for an anode catalyst layer was prepared in the same manner as in Example 1, and a test single cell B3 was completed.
In the single cell B3, I 1 /C 1 =1.2 in the cathode catalyst layer.
[Comparative example 4]
For 100 parts by mass of particulate conductive member, 20 parts by mass of fibrous conductive member (vapor grown carbon fiber, average diameter 150 nm, average fiber length 10 μm), and proton conductive resin (perfluorocarbon sulfonic acid polymer, A catalyst dispersion liquid for a cathode catalyst layer was prepared by adding 100 parts by mass (EW value: 700) and stirring.

これ以外については、実施例1と同様にして、アノード触媒層用の触媒分散液を調製し、試験用単セルB4を完成させた。
単セルB4において、カソード触媒層におけるI1/C1=1.0である。
Except for this, a catalyst dispersion liquid for an anode catalyst layer was prepared in the same manner as in Example 1, and a test single cell B4 was completed.
In the single cell B4, I 1 /C 1 in the cathode catalyst layer is 1.0.

表1に、セルA1~A3、B1、B4の最大の出力密度を測定した結果を示す。最大出力密度は、セルB4の最大出力密度を100としたときの相対値で示されている。 Table 1 shows the results of measuring the maximum output density of cells A1 to A3, B1, and B4. The maximum output density is shown as a relative value when the maximum output density of cell B4 is set to 100.

セルB1では、第1プロトン伝導性樹脂のEW値が850を超えており、且つ、第1粒子状導電部材に対する第1繊維状導電部材の配合割合が30質量%未満であるため、出力密度が低い。また、セルB1では、1.4A/cm2以上の電流密度では出力電圧が低下し、発電ができなかった。これに対し、セルA1~A3では、2.6A/cm2までの電流密度に渡って動作が可能であった。セルA1~A3では、セルB1と比較して2倍以上の最大出力密度が得られた。 In cell B1, the EW value of the first proton conductive resin exceeds 850, and the blending ratio of the first fibrous conductive member to the first particulate conductive member is less than 30% by mass, so the output density is low. Furthermore, in cell B1, at a current density of 1.4 A/cm 2 or more, the output voltage decreased and power generation was not possible. In contrast, cells A1 to A3 were able to operate at current densities up to 2.6 A/cm 2 . In cells A1 to A3, a maximum output density more than twice that of cell B1 was obtained.

セルA1~A3、B4は、第1プロトン伝導性樹脂、I1/C1の値は同じであり、第1粒子状導電部材に対する第1繊維状導電部材の配合割合が異なっている。表1より、第1粒子状導電部材に対する第1繊維状導電部材の配合割合が30質量%以上のセルA1およびA2では、第1粒子状導電部材に対する第1繊維状導電部材の配合割合が20質量%のセルB4と比較して、出力特性が顕著に改善している。 Cells A1 to A3 and B4 have the same first proton conductive resin and the same value of I 1 /C 1 , but differ in the blending ratio of the first fibrous conductive member to the first particulate conductive member. From Table 1, in cells A1 and A2 in which the blending ratio of the first fibrous conductive member to the first particulate conductive member is 30% by mass or more, the blending ratio of the first fibrous conductive member to the first particulate conductive member is 20% by mass or more. The output characteristics are significantly improved compared to cell B4 of % by mass.

Figure 0007437633000001
Figure 0007437633000001

図2に、実施例1のセルA1、および、比較例1~3のセルB1~B3で用いたカソード触媒層について、水銀圧入法により対数微分細孔容積dV/d(logD)の細孔径Dに依存した分布を測定した結果を示す。 FIG. 2 shows the pore diameter D of the logarithmic differential pore volume dV/d (logD) obtained by mercury intrusion method for the cathode catalyst layers used in cell A1 of Example 1 and cells B1 to B3 of Comparative Examples 1 to 3. The results of measuring the distribution depending on are shown.

比較例1のセルB1と比較例2のセルB2では、0.006μm~0.015μmの範囲に若干の対数微分細孔容積が存在する。しかしながら、第1プロトン伝導性樹脂のEW値が850を超えているために、上記範囲内に明確なピークが現れていない。また、比較例3のセルB3では、第1プロトン伝導性樹脂のEW値は850以下であるが、第1粒子状導電部材に対する第1繊維状導電部材の配合割合が30質量%未満であるため、0.006μm~0.015μmの範囲にピークは見られない。 In cell B1 of Comparative Example 1 and cell B2 of Comparative Example 2, some logarithmic differential pore volume exists in the range of 0.006 μm to 0.015 μm. However, since the EW value of the first proton conductive resin exceeds 850, no clear peak appears within the above range. In addition, in cell B3 of Comparative Example 3, the EW value of the first proton conductive resin is 850 or less, but the blending ratio of the first fibrous conductive member to the first particulate conductive member is less than 30% by mass. , no peak is observed in the range of 0.006 μm to 0.015 μm.

[実施例4~7]
アノード触媒層用の触媒分散液の調製において、プロトン伝導性樹脂の添加量を実施例1から変更した。
粒子状導電部材100質量部に対して、プロトン伝導性樹脂(パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子、EW値900)の添加量を、それぞれ140質量部、160質量部、180質量部、200質量部としたアノード触媒層用の触媒分散液を調製した。
[Examples 4 to 7]
In preparing the catalyst dispersion for the anode catalyst layer, the amount of proton conductive resin added was changed from Example 1.
The amount of proton conductive resin (perfluorocarbon sulfonic acid polymer, EW value 900) added to 100 parts by mass of the particulate conductive member was 140 parts by mass, 160 parts by mass, 180 parts by mass, and 200 parts by mass, respectively. A catalyst dispersion liquid for the anode catalyst layer was prepared.

これ以外は実施例1と同様にして、試験用単セルA4~A7を完成させた。A4~A7は、それぞれ、実施例4~7である。セルA4~A7について、実施例1と同様に評価した。
セルA4~A7において、アノード触媒層におけるI2/C2は、それぞれ、I2/C2=1.4、1.6、1.8、および2.0である。
Other than this, test single cells A4 to A7 were completed in the same manner as in Example 1. A4 to A7 are Examples 4 to 7, respectively. Cells A4 to A7 were evaluated in the same manner as in Example 1.
In cells A4 to A7, I 2 /C 2 in the anode catalyst layer is 1.4, 1.6, 1.8 , and 2.0 , respectively.

表2に、セルA4~A7の最大出力密度を測定した結果を示す。最大出力密度は、セルA1の最大出力密度を100としたときの相対値で示されている。セルA1、A4~A7のいずれも、低加湿の動作条件において高い出力が得られた。特に、I2/C2が1.4以上のセルA4~A7は、I2/C2が1.2のセルA1と比較して、出力の改善度合が顕著である。 Table 2 shows the results of measuring the maximum output density of cells A4 to A7. The maximum output density is shown as a relative value when the maximum output density of cell A1 is set to 100. High output was obtained in all of cells A1 and A4 to A7 under low humidification operating conditions. In particular, cells A4 to A7 with I 2 /C 2 of 1.4 or more have a remarkable degree of improvement in output compared to cell A1 with I 2 /C 2 of 1.2.

Figure 0007437633000002
Figure 0007437633000002

[実施例8~10]
アノード触媒層用の触媒分散液の調製において、プロトン伝導性樹脂およびその添加量を実施例1から変更した。
粒子状導電部材100質量部に対して、プロトン伝導性樹脂(パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子、EW値780)の添加量を、それぞれ120質量部、140質量部、160質量部としたアノード触媒層用の触媒分散液を調製した。
[Examples 8 to 10]
In preparing the catalyst dispersion liquid for the anode catalyst layer, the proton conductive resin and the amount added thereof were changed from Example 1.
Anode catalyst layer in which the amount of proton conductive resin (perfluorocarbon sulfonic acid polymer, EW value 780) added was 120 parts by mass, 140 parts by mass, and 160 parts by mass, respectively, with respect to 100 parts by mass of the particulate conductive member. A catalyst dispersion was prepared.

これ以外は実施例1と同様にして、試験用単セルA8~A10を完成させた。A8~A10は、それぞれ、実施例8~10である。セルA8~A10について、実施例1と同様に評価した。
セルA8~A10において、アノード触媒層におけるI2/C2は、それぞれ、I2/C2=1.2、1.4、および1.6である。
Other than this, test single cells A8 to A10 were completed in the same manner as in Example 1. A8 to A10 are Examples 8 to 10, respectively. Cells A8 to A10 were evaluated in the same manner as in Example 1.
In cells A8 to A10, I 2 /C 2 in the anode catalyst layer is I 2 /C 2 =1.2, 1.4, and 1.6, respectively.

表3に、セルA8~A10の最大出力密度を測定した結果を示す。最大出力密度は、セルA1の最大出力密度を100としたときの相対値で示されている。 Table 3 shows the results of measuring the maximum output density of cells A8 to A10. The maximum output density is shown as a relative value when the maximum output density of cell A1 is set to 100.

Figure 0007437633000003
Figure 0007437633000003

本開示に係る燃料電池は、定置型の家庭用コジェネレーションシステム用電源や、車両用電源として、好適に用いることができる。本開示は、高分子電解質型燃料電池への適用に好適であるが、これに限定されるものではなく、燃料電池一般に適用することができる。
本発明を現時点での好ましい実施態様に関して説明したが、そのような開示を限定的に解釈してはならない。種々の変形および改変は、上記開示を読むことによって本発明に属する技術分野における当業者には間違いなく明らかになるであろう。したがって、添付の請求の範囲は、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、すべての変形および改変を包含する、と解釈されるべきものである。
The fuel cell according to the present disclosure can be suitably used as a power source for a stationary household cogeneration system or a power source for a vehicle. The present disclosure is suitable for application to polymer electrolyte fuel cells, but is not limited thereto, and can be applied to fuel cells in general.
Although the invention has been described in terms of presently preferred embodiments, such disclosure is not to be construed as a limitation. Various modifications and alterations will no doubt become apparent to those skilled in the art to which this invention pertains after reading the above disclosure. It is, therefore, intended that the appended claims be construed as covering all changes and modifications without departing from the true spirit and scope of the invention.

100:膜電極接合体、110:電解質膜、120:触媒層、120A:第1触媒層、120B:第2触媒層、130A:第1ガス拡散層、130B:第2ガス拡散層、200:燃料電池(単セル)、240A:第1セパレータ、240B:第2セパレータ、250A,250B:シール部材、260A,260B:ガス流路 100: membrane electrode assembly, 110: electrolyte membrane, 120: catalyst layer, 120A: first catalyst layer, 120B: second catalyst layer, 130A: first gas diffusion layer, 130B: second gas diffusion layer, 200: fuel Battery (single cell), 240A: first separator, 240B: second separator, 250A, 250B: seal member, 260A, 260B: gas flow path

Claims (4)

第1繊維状導電部材、第1粒子状導電部材、第1触媒粒子、および、第1プロトン伝導性樹脂を備え、
前記第1粒子状導電部材の質量に対する前記第1プロトン伝導性樹脂の質量の割合I/Cが、1.0~1.6の範囲にあり、
前記第1粒子状導電部材100質量部に対する前記第1繊維状導電部材の割合が、30~50質量部であり、
前記第1プロトン伝導性樹脂のEW値が、600~850であり、
水銀圧入法にて測定される対数微分細孔容積dV/d(logD)の分布が、細孔径Dが0.006μm~0.015μmの範囲(ただし、0.01μm以上、0.015μm以下の範囲を除く)にピークを有している、カソード触媒層。
comprising a first fibrous conductive member, a first particulate conductive member, a first catalyst particle, and a first proton conductive resin,
The ratio I 1 /C 1 of the mass of the first proton conductive resin to the mass of the first particulate conductive member is in the range of 1.0 to 1.6,
The ratio of the first fibrous conductive member to 100 parts by mass of the first particulate conductive member is 30 to 50 parts by mass,
The first proton conductive resin has an EW value of 600 to 850 ,
The distribution of the logarithmic differential pore volume dV/d (logD) measured by mercury intrusion method shows that the pore diameter D is in the range of 0.006 μm to 0.015 μm (however, in the range of 0.01 μm or more and 0.015 μm or less). ) , the cathode catalyst layer has a peak.
請求項に記載のカソード触媒層を有するカソードと、
アノードと、
前記カソードと前記アノードの間に介在する電解質膜と、を備える燃料電池。
A cathode having the cathode catalyst layer according to claim 1 ;
an anode;
A fuel cell comprising: an electrolyte membrane interposed between the cathode and the anode.
前記アノードは、アノード触媒層を有し、
前記アノード触媒層は、第2繊維状導電部材、第2粒子状導電部材、第2触媒粒子、および、第2プロトン伝導性樹脂を備え、
前記第2粒子状導電部材の質量に対する前記第2プロトン伝導性樹脂の質量の割合I/Cが、前記I/Cよりも大きい、請求項に記載の燃料電池。
The anode has an anode catalyst layer,
The anode catalyst layer includes a second fibrous conductive member, a second particulate conductive member, second catalyst particles, and a second proton conductive resin,
The fuel cell according to claim 2 , wherein a ratio I2 / C2 of the mass of the second proton conductive resin to the mass of the second particulate conductive member is greater than I1 / C1 .
前記アノード触媒層は、
前記第2粒子状導電部材100質量部に対する前記第2繊維状導電部材の割合が、30~60質量部であり、
前記I/Cが1.2~2.5である、請求項に記載の燃料電池。
The anode catalyst layer is
The ratio of the second fibrous conductive member to 100 parts by mass of the second particulate conductive member is 30 to 60 parts by mass,
The fuel cell according to claim 3 , wherein the I 2 /C 2 is 1.2 to 2.5.
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